分布式光纤测温系统在塔山矿的应用

张 慧

（1.太原理工大学采矿工艺研究所，太原 030024；2.大同煤矿集团大唐塔山煤矿公司,山西 大同 037001）

分布式光纤测温系统在塔山矿的应用

张 慧1，2

（1.太原理工大学采矿工艺研究所，太原 030024；2.大同煤矿集团大唐塔山煤矿公司,山西 大同 037001）

煤矿开采过程中的火灾事故，与井下不同空间位置温度的高低有关。为了实现在矿井不同位置对温度实时在线快速监测，应用分布式光纤测温系统监测井下温度变化与分布情况，力图快速准确的判断各点的温度变化趋势，进而评判发生火灾事故的可能性。实践表明，分布式光纤测温系统的使用可为矿井的防火减灾工作提供重要的决策依据。

分布式；光纤测温系统；实时监测

上世纪七十年代开始，光纤通信技术飞速发展，随后逐步衍生发展出光纤传感技术。其核心载体为光波，光纤作为传输媒质，测量被测空间、环境实际参数信号的新传感技术[1]。参数信号的载体光波以及媒质光纤本身具有较多其它传输载体与媒质所不具备的优点[2]。

作为载体的光波不受电磁干扰，在极其恶劣的地质环境下，能够实现对温度、振动等参数的精确测量，通过光-电信号转换，将数据传输至PC机，运用精确算法进行数据处理。光纤的工作频带宽，动态监测范围大，适合于较大范围的遥测遥控，是目前最好的的低能耗传输方式。在大多数条件下，光纤有较高的测量加载敏感度，是目前敏感度较高的传感元件。

光纤测量技术是光纤领域重要的发展方向之一。因光纤具有电绝缘性好、耐腐蚀、柔性弯曲（可挠）性好、测量范围大、敏感度高、体积小、重量轻等特点，对传统温度传感器能起到扩展提高的作用，完成传统温度传感器很难完成、甚至不能完成的任务。光纤传感技术应用于温度测量方面，还具有准确性高、实时性好、频带宽、防爆、阻燃、抗干扰等优点，因此光纤温度传感技术受各国科研人员高度重视并对其进行完整深入的研究。它可用于矿山、电力、冶金、化工等领域，解决环境恶劣场所的温度测量与控制问题[3]。

分布式光纤测温技术以光波为载体、光纤为媒质对沿光纤分布的温度场可连续实时测量，可以连续地测量沿其分布的温度场的实时信息，这对现代化大型煤矿十到几十平方千米范围内火灾监测与防治决策，具有实际应用价值。为此，对该系统在大同塔山矿的测温系统布置及其应用，开展了多方面的实用研究，以下是通过监测温度来评价矿井火灾威胁程度的研究成果总结[4]。

1 光纤测温报警系统工作原理与功能介绍

1.1 光纤测温报警系统工作原理

分布式光纤测温报警系统主要工作原理是依靠光纤的后向拉曼散射温度效应和光时域反射计原理。

分布式光纤测温报警系统是利用拉曼散射效应进行温度测量，利用OTDR技术进行温度点定位。当主处理器中的激光源向光纤发射905 nm的光脉冲后，由于光的散射会引起光波的能量损耗，光脉冲大部分能传到光纤末端并消失，而小部分（携带有用温度信息）后向散射光会沿着光纤反射回来，对这一后向散射光进行过滤分析，将拉曼散射光与其他后向散射光进行区分，由于拉曼散射光携带着温度信息，然后通过上位机对这部分拉曼散射光进行DSP处理，从而可以提取出所需要的环境温度的信息。

1.2 测温系统的主要功能

1）矿井巷道与工作面场所温度的实时监控。在矿井内，设计并安装布置分布式光纤测温系统，实现巷道与工作面各点（位置）温度的实时监控，做到早期预警。2）利用光纤的长度，实现温度的分布式测定。DTS系统实时显示每隔1 m距离的各点温度变化，并能连续监测温度信号，对任意温度点实现温度超限报警。

1.3 分布式光纤的安装

感温光纤直接在皮带中心底部直线敷设1根光缆。约每隔1 m使用捆扎带或细钢丝将光缆固定在底架上，以保证良好的温度传导。

2 塔山矿光纤测温系统实测布置与测试结果分析

2.1 塔山矿光纤测温系统的布置

在塔山煤矿，分布式光纤测温系统的布置测试方案见图1。主要测试运煤皮带运行过程中的升温变化情况，对胶带的温度与胶带起燃点的温度临界值相互比较，并进行温度预警，保证皮带的安全正常运行。监测涉及的运输胶带机有7001、7002、8101和8102胶带运输机，同时还有5个精煤仓的温度变化，监测散体精煤的温升，确保其不发生自燃。

2.2 塔山矿光纤测温系统的测试结果与分析

塔山矿井下大巷胶带运输机运行时，实测的温度分布实施显示，见图2。

由图2可知，塔山矿胶带运输机运行过程中，分布式光纤测温系统实时在线测试显示的皮带运转温度，沿皮带长度并非是均匀分布的，有高有低，一般的温度为25℃～28℃，低于30℃。但在长度的个别位置或小范围内，也有温度超过30℃的情形，如在575 m位置，温度32℃～33℃;在710 m位置，温度32℃;在1 000～1 100 m位置，温度30℃～37℃；在1 200～1 250 m位置，温度30℃～32℃；在1 350 m位置，温度30℃～33℃；在1 525～1 575 m位置，温度30℃～34℃;在1 625～1 675 m位置，温度30℃～34℃;在1 700～1 750 m位置，温度30℃～48℃;而在2 200m位置，温度达到38℃。

总体而言，胶带运输机运行过程中，实测的温度大于36℃的较高点有3处，即1 000～1 100 m范围（37℃），1 700～1 750 m范围（48℃）；2 200 m位置，温度达到38℃。此三点胶带运行温度较高，应下井查清其是何种原因引起，并采取措施，降低温升，避免长时温升引起胶带自燃火灾事故。

此外，查资料可知，一般国内生产胶带运输机的钢丝芯皮带自燃温度为320℃～340℃[5]，因此运行温度低于临界自燃温度点，胶带运输机使用是安全的。

3 结论

通过在塔山矿应用分布式光纤测温度系统，测试胶带运输机运行温度的防火预警研究，有如下主要结论：

1）分布式光纤测温度系统，集传感与传输于一体，可实现远距测量与监控，适合于机电设备特别是胶带机与煤层自燃发火的防火预警工程。

2）测温系统的可以以较低的成本采集较大的数据信息，测量范围宽、精度高、空间分辨率高以及抗电磁干扰性强，因此可适用于易燃爆等较为危险的场合。

3）实测胶带运转温度，一般温度为25℃～28℃，实测温度大于36℃的较高点有3处，即1 000～1 100 m范围（37℃），1 700～1 750 m范围（48℃）；2 200 m位置，温度达到38℃。应下井查清其是何种原因引起，并采取措施，降低温升，避免长时温升引起胶带自燃火灾事故。

4）一般国内生产胶带运输机的钢丝芯皮带自燃温度为320℃～340℃，实测运行温度低于临界自燃温度点，胶带运输机使用安全。

[1]于学谦.矿井运输机械[M].徐州：中国矿业大学出版社，1998.

[2]余明高.矿井火灾防治[M].北京：国防工业出版社，2013.

[3]齐冀,彭泓,王涛.基于模糊信息融合的矿井火灾监测系统研究[J].煤矿机电,2009（3）：34-37.

[4]周心权，邬燕云，朱红青，等.煤矿灾害防治科技发展现状与对策分析[J].煤炭科学技术，2002，30（1）：1-5．

[5]戚颖敏.我国煤矿火灾防治技术的现代发展与应用[J].煤，1999，8（2）：1-4．

Application of Distributed Optical Fiber Temperature System in Tashan Mine

ZHANG Hui1,2

(1.Mining Technology Institute,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China; 2.Datang Tashan Mine,Datong Coal Mine Group,Datong 037001,China)

Fire accidents in coal mining correlate with temperature in different locations in mines. Distributed optical fiber temperature system is adopted to realize real-time and rapid monitoring of the temperature variation and distribution in order to judge the trend and to evaluate the fire accident possibility.The practice shows that the application of the system could provide an important basis for decision making in the fire prevention and control.

distributed;optical fiber temperature sensor;real-time monitoring

TM76

A

1672-5050（2015）01-0073-03

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.01.024

（编辑：武晓平）

2014-10-30

张慧（1981-），男，山西应县人，在读工程硕士研究生，助理工程师，从事矿井安全管理监控工作。